高介電低損耗聚合物納米復(fù)合材料的可控制備與性能調(diào)控.pdf

1、具有高介電常數(shù)、低介電損耗以及高儲(chǔ)能密度的聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料在現(xiàn)代電子和電氣設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用前景，研究和開發(fā)具有高性能的聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料在推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提升國家防衛(wèi)能力方面具有極其重要的意義。盡管前人為提升聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料的綜合性能做出了很多貢獻(xiàn)和努力，但依然還有不少問題亟待解決，如納米填料的分散性問題、納米填料與聚合物基體之間的界面問題、以及納米填料的高填充量問題等。為了解決這些問題，本文探索了一系列簡單、

2、快速、高效可控的方法，對(duì)納米填料的表面進(jìn)行功能化改性，通過設(shè)計(jì)合成不同的界面結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地研究了界面結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，成功地制備了具有優(yōu)越的介電性能的聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料。
　　首先，為了提高納米顆粒的分散性以及納米顆粒與聚合物基體的界面相容性，我們分別采用“Grafting from”和“Grafting to”的策略，以鈦酸鋇（BaTiO3，BT）納米顆粒為核，通過原位引發(fā)的可逆加成斷裂

3、鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合和“巰基-乙烯基”（“Thiol-Ene”）點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了一系列具有核-殼結(jié)構(gòu)的Polymer@BT聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料。在這一類材料中，絕緣的聚合物殼不僅可以充當(dāng)隔離層來防止BT納米顆粒的團(tuán)聚，而且還可直接充當(dāng)聚合物基體。納米填料與聚合物基體之間通過共價(jià)鍵相連，因此聚合物納米復(fù)合材料中的界面結(jié)構(gòu)很緊密。在這個(gè)過程中，我們采用FT-IR、1H NMR、TGA、TEM、動(dòng)態(tài)光散射等測試手段對(duì)納米顆粒的表

4、面改性進(jìn)行了詳細(xì)表征，證明了核-殼結(jié)構(gòu)的Polymer@BT納米顆粒的成功制備。并且，還通過調(diào)節(jié)單體配比或接枝聚合物鏈的分子量，對(duì)聚合物納米復(fù)合材料的組成或接枝密度進(jìn)行調(diào)控，系統(tǒng)地研究了界面結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物納米復(fù)合材料介電性能的影響。
　　其次，為了進(jìn)一步提升介電性能，我們開發(fā)了一種新的策略，以改善高介電常數(shù)的納米填料（BT）和鐵電聚合物基體聚偏氟乙烯-六氟丙烯[P(VDF-HFP)]之間的界面。首先，通過表面引發(fā)的RAFT聚合，在B

5、T顆粒表面引發(fā)兩種類型的氟代丙烯酸酯單體聚合，合成了具有核-殼結(jié)構(gòu)的Fluoro-po lymer@BT納米顆粒，使顆粒表面的殼層聚合物具有不同的厚度或不同的分子結(jié)構(gòu)。接著，通過溶液共混和熱壓成型工藝制備了P(VDF-HFP)/Fluoro-polymer@BT納米復(fù)合材料。相應(yīng)的納米復(fù)合材料的介電性能和能量存儲(chǔ)能力分別由寬頻介電譜儀和鐵電儀進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，所制備的納米復(fù)合材料成功地實(shí)現(xiàn)了高的儲(chǔ)能密度和低的介電損耗。而且，這類P(

6、VDF-HFP)納米復(fù)合材料的介電性能和儲(chǔ)能密度可以通過調(diào)節(jié) Fluoro-polymer@BT納米顆粒表面含氟聚合物殼的結(jié)構(gòu)和/或厚度進(jìn)行調(diào)控。
　　第三，為了降低聚合物納米復(fù)合材料的介電損耗，提高其擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了具有草莓狀核-殼結(jié)構(gòu)的BT-PDA-Ag納米顆粒，并以 P(VDF-HFP)聚合物作為基體，通過溶液共混和熱壓成型工藝制備了聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料。利用多巴胺的自聚合特性和還原性，在BT納米顆粒表

7、面包覆一層聚多巴胺（PDA），并通過原位還原將Ag納米顆粒嵌入到殼層的PDA聚合物中。利用Ag納米顆粒的庫侖阻塞效應(yīng)，成功地抑制了聚合物納米復(fù)合材料內(nèi)部的泄漏電流、降低了介電損耗、提高了擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度。
　　最后，為了降低填料含量，制備可以應(yīng)用于小型化、輕量化以及柔韌化電子電氣設(shè)備的聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料，我們開發(fā)了一種精確可控和環(huán)境友好的方式來制備含氟聚合物功能化改性的石墨烯（PF-PDA-RGO），用于制備柔性的鐵電聚合